重力為什麼會影響時間?在黑洞裡時間就會停止嗎?

重力為什麼會影響時間?在黑洞裡時間就會停止嗎?
An artist's illustration shows a supermassive black hole with millions to billions times the mass of our sun at the center, surrounded by matter flowing onto the black hole in what is termed an accretion disk in this NASA illustration released on February 27, 2013. Supermassive black holes are enormously dense objects buried at the hearts of galaxies. This disk forms as the dust and gas in the galaxy falls onto the hole, attracted by its gravity. Also shown is an outflowing jet of energetic particles, believed to be powered by the black hole's spin. The regions near black holes contain compact sources of high energy X-ray radiation thought, in some scenarios, to originate from the base of these jets. This high energy X-radiation lights up the disk, which reflects it, making the disk a source of X-rays. The reflected light enables astronomers to see how fast matter is swirling in the inner region of the disk, and ultimately to measure the black hole's spin rate. REUTERS/NASA/JPL-Caltech/Handout (OUTER SPACE - Tags: ENVIRONMENT SCIENCE TECHNOLOGY) FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS. THIS IMAGE HAS BEEN SUPPLIED BY A THIRD PARTY. IT IS DISTRIBUTED, EXACTLY AS RECEIVED BY REUTERS, AS A SERVICE TO CLIENTS - RTR3EDB0
我們想讓你知道的是

在太空船漸漸接近黑洞時,太空人會發現外面遠處的觀測者動作漸漸變快,就像是錄影帶影片的快轉播放一般。這個太空人如果自覺花了一星期繞行黑洞外圍一圈,而且很幸運地沒被它吞噬,那麼等他再回到遠處的觀測者處時,有可能會發現觀測者所在地的時間實際上已經過了一億年!

唸給你聽
powered by Cyberon

文:吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理所教授)

我們常說這個錶不準,或是那個鐘不準,表示在我們的現實生活中,時間有一個絕對的參考標準,這個標準通常可以用原子鐘來規範。在傳統的物理中,時間的快慢也只有一個標準,和重力的大小扯不上關係,然而在愛因斯坦於20世紀初提出「相對論」後,一切都改觀了。

廣義相對論的主要內涵可以用「愛因斯坦方程式」來表述,就像牛頓第二運動定律可以用F=ma來表述一樣。牛頓的式子中,用等號(=)連結了「力」(F)和「加速度」(a)這兩個物理觀念,然而愛因斯坦方程式則是用等號連結了「時空的結構」和「空間中能量的分佈」兩個物理觀念,也就是:

時空的結構=空間中能量的分佈

愛因斯坦把傳統物理中的「重力」概念解釋成一種「時空結構扭曲」的自然現象,而這個扭曲程度的大小(也就是重力表現的大小,即上式的左手邊),則由空間中能量「不均勻」分佈的程度(即上式的右手邊)來決定。能量越是不均勻分佈,則時空結構就越扭曲,其所表現出來的重力現象也就越大,同時這個「時、空」扭曲也會讓時間的流逝變慢。

所以用物理的因果邏輯來解釋,嚴格而言並不能說是「重力影響了時間流逝的快慢」,而是說「空間中由於能量的不均勻分佈(例如腳下的地球就是極大質量聚集在一起的表徵),造成了時空結構的扭曲,而這個扭曲所表現出來的,一個是重力的產生(例如地球的重力),另一個則是時間流逝的變慢」。時空扭曲越厲害的地方,不但表現出來的重力越大,其時間的流逝也越慢。

了解這點以後,我們就可以用上面的式子來解釋黑洞。黑洞其實就是能量分佈極度不均勻(集中在其中心)所造成的一個物理現象,根據上式,它會造成時空結構的極度扭曲,讓其附近的光的路徑都扭曲指向黑洞的中心,致使光子無論如何都無法逃離,而形成「黑」洞。如之前所說,這個時空扭曲也會讓時間的流逝變慢,然而這所謂的「變慢」,是對極遠處一個不受重力的觀測者而言。

試想,站在一個離黑洞很遠的地方觀察一艘太空船駛入黑洞中,觀測者會看到太空船在接近黑洞邊緣(稱為事件視界)的同時,其中的太空人動作會無止盡地慢下來,太空船內所掛的鐘也會無止盡地慢下來而趨完全靜止,那是因為太空船受到極大的時空扭曲,致使它的時間流逝比身處無時空扭曲之觀測者的時間為慢。如果太空船到達黑洞邊緣的話,則觀測者會看到它的時間完全靜止。

反觀就太空船裡的人而言,在太空船漸漸接近黑洞時,他會發現外面遠處的觀測者動作漸漸變快,就像是錄影帶影片的快轉播放一般。因此太空人並不自覺時間變慢,而是遠處的觀察者看到他的時間變慢。所以這個太空人如果自覺花了一星期繞行黑洞外圍一圈,而且很幸運地沒被它吞噬,那麼等他再回到遠處的觀測者處時,有可能會發現觀測者所在地的時間實際上已經過了一億年!

總而言之,當我們感受到有越「大」重力存在的地方,表示該處的時空結構扭曲就越厲害,其時間也就過得越「慢」。舉一反三,十層樓房中的一樓,與地心的距離比頂樓近,所以重力較大,因此時間也就過得比頂樓慢。所以你如果要活得比別人久,記得要住一樓不要住頂樓,因為一樓的時間過得比較慢。至於一輩子住下來可以多活多久,依據愛因斯坦的廣義相對論來推估,你可以多活一微秒。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:楊之瑜

4月主題徵文
或許你會想看
更多『評論』文章 更多『生活』文章 更多『《科學人》粉絲團』文章
Loader